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温度及应力对黏土岩渗透损伤特性的影响

更新时间:2009-03-28

温度—渗流—应力(THM)耦合问题是岩土工程领域经常涉及的问题,特别是对于深部地下工程,如垃圾填埋、矿井工程、高水平放射性(高放)废物处置等[1-3]。自20世纪60年代以来,THM耦合问题逐渐成为岩土工程界关注的热点问题,许多学者致力于三者的相互影响关系研究,并取得了丰富的研究成果。

黏土岩作为高放废物处置库的地质屏障材料,由于核素会释放热量,因而围岩体经常处于温度—渗流—应力耦合环境,研究其在此地质环境作用下的变形特征、渗流特性和损伤演化过程是关系到处置库安全的重要议题[4]。Abuel-Naga等[5]研究了黏土岩在不同温度作用下的渗流和力学特性,并提出利用加热排水板对黏土围岩进行加速固结。垃圾填埋产生的生物化学作用会释放大量的热量和气体,使得填埋场的黏土覆盖层的热传导性、渗流特性、强度特征,以及孔隙度等均会发生不同程度的变化,对于填埋场的安全稳定运行具有重要影响[6]。通常而言,随着温度升高,黏土岩的强度会有所降低,渗透性显著增强,蠕变速率将明显加快[7]。通过开展温度—渗流—应力耦合条件下的固结不排水三轴压缩试验和排水三轴蠕变试验研究,建立了考虑温度、损伤、蠕变的黏土岩本构计算模型[8]

笔者基于上述研究理论和成果,开展了不同温度和应力环境下的三轴压缩渗透试验,重点研究了温度及应力对渗流特性和变形损伤特征的影响,基于损伤理论,得到了其损伤演化过程和特征,同时建立了一种黏土岩温度场—渗流场—应力场三场耦合本构计算模型。

1 试验概况

将取自垃圾填埋场地下深度150 m处的黏土岩芯按照GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法》[9]相关试验规定,通过钻、切、磨的加工方法将岩芯制成Φ50 mm×100 mm的标准圆柱形试件。试验过程如下:①将试件用特制高温膜包裹、放到试验机上,安装渗透测试器、轴向和环向应变计,并将三轴室充满油;②以30 ℃/h的加温速率对油进行加热,待加热至预定温度后,保持恒定温度30 min;③对试件分别施加围压至2.5、5.0、7.5、10.0 MPa;④首先对试样进行1次初始渗透率测试,渗透压差1 MPa,然后施加轴向荷载,加载速率30 kN/min;⑤应力加载过程中,峰前进行4次渗透测试,峰值处测试1次,峰后视情况测试3次。

2 试验结果及分析

2.1 强度及变形分析

试验得到的应力—应变曲线见图1(σ1σ3ε1ε3εV分别为试样的主应力、围压、轴向应变、环向应变及体积应变)。从图1可见,黏土岩在三维应力状态下的变形过程包括:压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和峰后残余阶段4个阶段。相同围压下,温度越高,黏土岩弹性模量越小,塑性变形越明显,破坏形式逐渐从脆延性断裂向弹塑性变形破坏转变,但破坏时对应的应变量变小;同等温度下,围压越大,黏土岩变形能力越强,破坏形式逐渐由脆性向延性断裂变化[10]。围压一定时,温度越高,黏土岩的强度越低,这是因为高温会造成黏土岩矿物成分发生分解变化,内部结构逐渐由晶太向非晶太转变,力学性质弱化,同时颗粒之间的相互胶结力也发生劣化,使得岩石出现热塑性和热软化现象,强度也随之降低。

采用SPSS 19.0统计学软件处理数据,计量资料采用(±s)表示,进行 t检验;计数资料采用[n(%)]表示,进行χ2检验,P<0.05为差异有统计学意义。

  

(a)围压10 MPa

  

(b)温度25 ℃

 

图1 黏土岩应力—应变曲线

2.2 渗透特性分析

假设试件在渗流过程中保持温度不变,且为各向同性的均质材料,根据达西定律得到渗透率计算式如下:

 

在剪胀扩容损伤阶段,渗透率逐渐升高,试件孔隙度增加,假设有长度为l的单元体,其扩容形成的裂隙宽度为b,那么可以得到渗透率k2的计算式为:

[5] ABUEL-NAGA H M, BERGADO D T, CHAIPRAKALKEMS. Innovative thermal technique for enhancing the performance of prefabricated vertical drain during the preloading process[J]. Geotextiles and Geomembranes,2006, 24(6): 359-370.

以学生的兴趣点切入的同时,以我校环境卫生学的科研方向为主导,引导学生进行科研思维训练、学习相关先进的检测仪器的操作技术、作用原理、检索国内外高级文献的方法、关注环境卫生学科研领域最先进的研究动态,最终能够完整体会科研活动的全过程。

  

(a)t=25 ℃

  

(b)t=50 ℃

  

(c)t=75 ℃

  

(d)t=100 ℃

 

图2 黏土岩渗透率与变形之间的关系曲线

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[1] GENS A, OLIVELLA S. Clay barriers in radioactive waste disposal[J]. Revue Française de Génie Civil, 2001,5(6): 845-856.

  

(a)围压10 MPa

  

(b)温度25 ℃

 

图3 黏土岩渗透率与温度、应力的关系曲线

2.3 损伤演化分析

从图5中可以看出,试验数据与模型理论计算值拟合良好,相关度R均大于0.9,表明所建立的温度—渗流—应力三场耦合模型能够较为准确地模拟各温度及应力环境下黏土岩的渗透变化特征。

饭毕,两人前后走出大厅。大门口,王树林接过辛娜的伞,擎在手中,另一只手自然而然地揽在了辛娜的腰间。手感柔滑。辛娜甚至还主动将身子往王树林这侧靠了靠,这让王树林心尖的芽苞增大了一圈。他走得很慢,辛娜配合着他的缓慢。他们缓慢地走向停车场。在辛娜的车前,王树林终于忍不住拉开了车门。辛娜说,谁同意的?

 

(1)

假设试件某半径为R的单元体受损前后的体积分别为VV′,密度分别为ρρ′,受损后出现半径为r的球形空洞,根据质量守恒定律,可以得到:

 

(2)

设试件初始体积为V0,加载后的体积为V1,体积应变εV的计算公式如下:

 

(3)

同理,根据质量守恒定律,则有:

 

(4)

由以上分析得到试验全过程的应力—应变曲线,当应力较小时,试件处于硬化压缩阶段,体积应变为正;当应力较大时,发生剪胀损伤,体积应变为负。为了便于分析,在分析损伤量时,定义体积应变压缩为负,体积应变膨胀为正,并认为在硬化压缩阶段岩石内部没有实质损伤发生(虚拟损伤,逐渐减小)[14],当试件发生剪胀时,产生实质损伤(逐渐增大)。

决定免去李甜、赵雪莹、朱玥董事职务;决定免去李甜董事长职务;选举党发龙为公司新董事,选举并任命党发龙为公司董事长;决定党发龙为公司法定代表人。

 

(5)

根据式(4)和式(5),得到不同温度和应力下黏土岩渗透损伤演化曲线,见图4。可以看出,在相同围压下,随着温度的升高,黏土岩的实质损伤发展越快,破坏后的损伤量也越大,由于各试件的初始孔隙率和孔隙结构有所区别,因而其虚拟损伤表现出无规律性。在相同温度下,围压越大,实质损伤发展越缓慢,破坏时对应的损伤也越小,并同样表现出从脆性断裂损伤向延性破坏损伤转变的趋势。

将孔隙度用体积应变来表示,则渗透率表示为:

  

(a)围压10 MPa

  

(b)温度25 ℃

 

图4 黏土岩损伤演化曲线

3 三场耦合模型

黏土岩的渗透率不仅受温度的影响,也与应力的发展密切相关。在硬化压缩渗透率降低阶段,试件孔隙度逐渐减小,渗透率k1采用孔隙度表示:

 

(6)

式中:k0为初始渗透率;φφ0分别为试验中某条件下和初始时的孔隙度大小;β为拟合常数。

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(7)

式中:α为Biot系数;εV为体积应变,压缩为正。

式中:k为渗透率,μm2p0为渗透压差,MPa;Q为渗流量,m3/s;μ为黏度系数,Pa·s;L为试件长度,mm;A为试件截面面积,m2p1p2为上下两端压力,MPa。

 

(8)

式中:μ为流体动力黏度;g为重力加速度。

分析得到在某一特定环境下,黏土岩渗透率随应力发展的演算模型。通过分析,可以得到黏土岩初始渗透率k0、温度t和围压σ3存在一定关联,并通过三维数值拟合,得到了三者的相互关系(相关系数R2为0.912):

k0=2.56×10-15t-4.93×10-14σ3+7.1×10-13

(9)

联立式(7)、式(9),即可得到硬化压缩阶段渗透率(k1):

 

(10)

一般而言,水的动力黏度系数μ随着温度t的升高而减小,大量的试验研究表明:两者的关系基本符合指数型函数关系:

μ=1.65e-0.024t

(11)

联立式(8)、式(11),即可得到剪胀损伤阶段渗透率(k2)演化模型:

 

(12)

通过式(10)、式(12)即可得到任意温度(0~100 ℃)和应力条件下,黏土岩的渗透率变化过程。以围压10 MPa、温度25 ℃,以及围压5 MPa、温度25 ℃为例,得到基于本文提出的温度—渗流—应力三场耦合模型理论计算值与试验值的对比,结果见图5(由于峰后阶段渗透率受试验加载、破碎颗粒堵塞通道等原因,渗透率变化较为复杂,因而暂不考虑)。

②健康教育:在采血前,护理人员需要对献血者进行健康教育,使其对献血有着更加正确的认识。在相互之间的沟通和交流中,献血者能够对献血的具体步骤、要求及注意事项有着具体的了解,而护理人员能够从中了解患者的想法和态度,掌握其心理状态,并为其解答疑惑,减少其担忧和顾虑,使患者能够保持平和、稳定的心态,积极配合检验人员和采血人员的工作。该过程中,护理人员还需要告知其采血过程中可能出现的不良反应,并解释其原因,使其做好心理准备。在献血后,护理人员应积极、主动问询献血者的感受,针对不良反应,做好预防措施,还需要叮嘱其在饮食、运动方面的注意事项。

  

图5 黏土岩温度—渗流—应力三场耦合模型理论计算与试验数据对比

损伤量D反映了岩石力学性质的劣化程度,假设A为受损后材料的横截面积,Aw为受损后材料横截面的孔隙面积,则有:

4 结论

1)温度对黏土岩具有明显的损伤劣化作用,温度越高,黏土岩的强度越低,围压越大,强度越高。

2)黏土岩渗透系数随着应力加载经历了“减小—增大—略有回落”3个阶段,体积应变拐点是渗透率由减转增的分界点;相同围压下,温度越高,相应的渗透性越强,同等温度下,渗透率随围压升高而减小;温度越高,围压越小,“实损伤”发展越快,损伤值越大。

3)基于试验结果,建立了温度—渗流—应力三场耦合模型,通过拟合分析表明该模型能较好地模拟各温度及应力环境下黏土岩的渗透变化过程。

参考文献

黏土岩渗透率与温度、应力的相互关系见图3,可以看出,相同围压下,随着温度的升高,试件的渗透率逐渐增大;同等温度下,渗透率则随着围压的升高而逐渐降低。在高温作用下,黏土岩内部的各种矿物成分发生物理化学作用,试件内部热损伤程度超过了热膨胀效应,同时试件内部易挥发的物质成分随温度升高而流失,导致孔隙度增加,从而使得黏土岩的渗透率增大[12-13];由于侧向约束力的存在,又在一定程度上使得试件内部结构更加致密,因而在同等温度条件下,渗透率逐渐随围压升高而降低。

[2] CHEN L, LIU Y M, WANG J, et al. Investigation of the thermal-hydro-mechanical (THM) behavior of GMZ bentonite in the China-Mock-up test[J]. Engineering Geology, 2014, 172: 57-68.

[3] 王长轩, 刘晓东, 刘平辉. 高放废物地质处置黏土岩处置库围岩研究现状[J]. 世界核地质科学, 2008, 25(2):98-103.

[4] SAVAGE D. The scientific and regulatory basis for the geological disposal of radioactive waste[M]. Chichester: John Wiley and Sons, 1995.

由图1可知,红茶浓度和浸泡时间的交互作用显著。由响应面图可知,当浸泡时间保持在30~42 min范围内时,延长浸泡时间将会增加感官分值;当浸泡时间保持在42~50 min范围内时,延长浸泡时间将会降低感官分值。同样,当红茶浓度处于0.8~1 g/L范围内时,感官分值随红茶浓度的增加而提高;当红茶浓度处于1~1.2 g/L范围内时,感官分值随着红茶浓度的增加而下降。综上所述,感官分值随着红茶浓度、浸泡时间的增加呈先上升后下降的趋势。

黏土岩渗透率与变形之间的关系见图2(以围压10.0 MPa为例)。岩石在三向应力状态下,将逐渐经历硬化压缩、硬化剪胀及软化剪胀3个阶段。从图2中可见,黏土岩渗透率的变化与环向应变和体积应变呈良好的三阶段对应关系。在压缩及弹性阶段,由于围压的侧向约束,横向变形较轴向变形缓慢,此时处于压缩硬化阶段,在此期间,岩石呈现出自我调整至原位状态的趋势,新生裂隙在荷载作用下会被迅速压密闭合,力学强度反而有所增强,因而渗透率也在一定程度降低后保持基本恒定;当试件进入剪胀损伤阶段前后时,新生裂隙逐渐发展贯通,横向应变开始加速增大,试件力学性质发生劣化,对应的渗透率也急剧增大,即横向应变和体积应变的突变点与渗透率的突变点相对应;在软化剪胀期间,体积应变快速增加,横向应变有所放缓,由于试件内部应力重新分布和部分孔隙通道被堵塞,同时由于峰后阶段采取应变控制的方式,使得轴向应力出现松弛现象,裂纹扩展速度变缓,因而渗透率略有降低[11]

[6] 薛强, 赵颖, 刘磊, 等. 垃圾填埋场灾变过程的温度—渗流—应力—化学耦合效应研究[J]. 岩石力学与工程学报,2011, 30(10): 1970-1988.

[7] 陈卫忠, 龚哲, 于洪丹,等. 黏土岩温度—渗流—应力耦合特性试验与本构模型研究进展[J]. 岩土力学, 2015, 36(5):1217-1238.

[8] 于洪丹. Boom clay温度—渗流—应力耦合长期力学特性研究[D]. 武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所, 2010.

[9] 工程岩体试验方法标准:GB/T 50266 —2013[S].

综上所述,李白模仿鲍照的同题新作,多有创新,情感指向个性化,用典密度变小,叙事线条变得疏朗,主题寓义宽泛,成功地超越了鲍照诗歌,如刘熙载说:“太白诗以庄、骚为大源,而于嗣宗之渊放、景之儁上、明远之驱迈、玄晖之奇秀,亦各有所取,无遗美焉。 (《艺概·诗》)”成为后代诗人学习的典范。

[10] 梁海安, 杨泽平, 刘晓东,等. 不同温度下塔木素黏土岩力学强度特性研究[C]//第5届废物地下处置学术研讨会论文集,2014.

[11] 范秋雁,阳克青,王渭明.泥质软岩蠕变机制研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(8):1555-1561.

同样有两个孩子的陈昕也为自己算了一笔账:家里两个孩子,一个读小学,一个上幼儿园,每月可扣除2000元,自己父亲年满60岁,作为独生子女每月可扣除2000元,家里的房贷利息每月扣除1000元,这已经可以享受5000元的专项附加扣除,加上5000元的起征点,意味着在已扣除“三险一金”的情况下,月收入万元基本不必缴纳个税了。

[12] 杨永杰,宋扬,陈绍杰. 煤岩全应力—应变过程渗透性特征试验研究[J]. 岩土力学,2007,28(2):381-385.

[13] 孙国文, 黄滚, 陈素娟,等. 三维应力场中煤渗透特性试验[J]. 矿业安全与环保, 2011,38(5):22-24.

播种架倾角α(°)、种勺线速度v(m/s)及种勺空间尺寸a×b(mm×mm)3因素影响土豆播种机播种质量的显著性不同,如表3~表5所示。排种器试验装置参数优选试验的试验指标分析如表6所示。

[14] 王军. 损伤力学的理论与应用[M]. 北京:科学出版社,1997.

根据《行政事业单位内部控制规范(试行)》第二章第十二条规定,单位内部控制的控制方法包括:不相容岗位相互分离、内部授权审批控制、归口管理、预算控制、财产保护控制、会计控制、单据控制、信息内部公开八个方面,在此主要以预算控制为例分析。而预算控制分预算编制、预算执行及预算评价三个主要环节。

 
付小凤
《矿业安全与环保》 2018年第02期
《矿业安全与环保》2018年第02期文献

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